基于5G 通信技术的电力自动化系统实时监控与控制研究

李晓鹏

（海阳龙凤热电有限公司，山东 烟台 265100）

0 引 言

智能电网的核心是在电力系统的各个环节中集成先进的信息与通信技术，以提高电网的效率、可靠性和安全性。随着可再生能源的日益普及和电力需求的不断增长，对电力自动化系统的实时监控与控制提出了更高的要求。为实现智能电网的监测和控制，并适应受控设备和配电管理系统之间的大量实时数据流，有必要部署更加先进的通信网络基础设施。

5G 通信技术作为最新一代的通信技术，具有高速度、低延迟和高连接密度等特点，为智能电网提供了新的发展机遇[1-2]。不仅能够支持更多设备的连接，而且可以实现更快的数据传输和更低的响应时间，这对于实时监控和快速故障响应至关重要。因此，文章探讨并比较了5G 与现有长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术在智能电网监控和控制中的应用，特别是在实时性能和故障管理方面的差异。同时，通过仿真实验和案例分析，验证5G 通信技术在电力自动化系统中的潜力，特别是在提高故障检测和处理速度方面。

1 5G 与LTE 通信技术在智能电网中的应用对比

随着智能电网的不断发展，5G 与LTE 通信技术在监控和控制系统方面得到了广泛应用，已成为现代电力系统不可或缺的一部分。传统的电力系统依赖于集中式监控，在处理分布广泛的电网资源时存在局限性。随着新型分布式发电资源的出现，如太阳能和风能，对电网的实时监控和快速响应提出了新的挑战[3]。而分布式控制系统不仅能提供更高效、灵活的电网管理方法，提高电网的可靠性，还能提升电力系统对可再生能源的适应能力。

5G 通信技术以其高速数据传输（可达1 ～10 Gb/s）、极低的延迟（通常小于1 ms）、大规模设备连接能力、网络切片技术以及增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）等特点，成为支持高带宽的理想选择。而LTE 技术能够提供稳定的数据传输速率（一般在10 ～50 Mb/s），覆盖范围广泛，技术成熟，具有良好的向下兼容性，且能够高效利用频谱。然而，在面对更高速度和更低延迟的需求时，LTE 的性能受到限制。5G 通信技术在低延迟和高数据传输速度方面的优势改善了智能电网的性能，特别是在故障检测和响应方面[4]。通过改善网络通信时延，可以显著缩短数据传输和处理的时间，这对于确保电网的稳定运行和缩短故障恢复时间至关重要。

2 基于5G 通信技术的配电网实时监控与控制管理方法

在智能电网自动化系统中，整个电网的控制和监控需要依靠复杂的集中式、分布式或去中心化控制系统来实现。其中，集中式控制系统主要采用上一代的网络通信技术LTE，而分层和去中心化控制系统主要利用5G 网络进行构建，具有更高的信息流传输效率[5]。

文章主要对比2 种网络管理方法，分别是基于LTE 的集中式网络管理（Centralized Network Management，CNM）和基于5G 通信技术的分布式网络管理（Distributed Network Management，DNM），具体结构如图1 所示。

图1 电网管理方式

图1 中：CB 表示遥控断路器；DES 表示分布式储能；DG 表示分布式发电；DMS 表示配电管理系统。

2.1 基于LTE 的集中式网络管理

CNM 由一个中央DMS/EMS 组成，用于检查从测量单元（Measurement Unit，MU）发送的数据，并对安装在发电机、断路器、有源负载及存储单元上的智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）执行操作干预，以确保网络处于最佳运行状态。由于信息数据流是垂直的，因此MU 和IED 只与中心控制器交换数据。在该平台中，MU 以固定的时间步长向DMS发送电压和电流测量值，因此DMS 对网络有全面的了解，能够对故障情况进行定位和管理。在发生短路的情况下，DMS 会触发具有最小阻抗的支路断路器，以降低故障的影响。

2.2 基于5G 通信技术的分布式网络管理

在DNM 方案中，每个IED 和MU 都与一个代理相关联，代理可以与相邻设备通信，以评估网络状态并执行操作动作。因此，其具有分布式DMS 功能，即保持最优条件和解决任何网络突发事件。由于信息数据流是水平的，因此本地数据聚合器可以作为本地代理分配配电系统运营商（Distribution System Operator，DSO）之间的接口，以协调网络运行。当代理被对应MU 测量的过电流触发时，DNM 会将电流和相位测量值发送给相邻代理，接着接收代理会将本地测量的电流和相位与接收的信息进行比较。通过相位比较实现故障定位，并打开断路器进行故障干预。在日常工作中，需要在每个IED 上嵌入M2M 芯片组，以确保实现水平双向数据流。

3 实验设计与结果分析

为比较CNM 和DNM 这2 种智能电网管理方案的应用效果，在联合仿真平台上进行了分析。利用电力系统分析软件和软件工具DIgSILENT-PowerFactory对智能电网场景进行了仿真，并研究电网的稳定性和故障状态下的暂态演化。仿真构建的智能配电网结构如图2 所示。该智能配电网是一个城市中压（Medium Voltage，MV）网络，由2 个环形配置的高中压（High Voltage/Medium Voltage，HV/MV）主变电站馈电系统组成。该网络在电网全局范围内延伸约1 km，提供了6 个中压节点。这些节点聚集了混合城市负载，每个节点代表一个二次变电站，进出线馈线上设有断开装置（断路器或分断开关），如图3 所示。二次变电站还安装了一个MU和一个IED，用于电气参数的测量、编程、与DMS 或邻居通信。

图2 智能配电网结构

图3 智能配电网进出线馈线结构

本仿真实验中，在连接节点6 和节点7 上的变电站的分支上发生了30 ms 短路事件。二次变电站的MU 检测到了过流，同时IED 根据控制方案向服务器或相邻代理发送报文。在这种情况下，信息都封装在一个用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）中。本仿真实验的目的是在考虑速度和选择性的情况下，比较集中式和分布式故障监控方案的性能。实验结果如表1 所示。

表1 集中式和分布式故障监测系统延迟对比结果 单位：ms

由表1 可知，2 种方案的最高节点间包传输延迟差为7 ms，案例分析显示，分布式系统的故障监控总时延为17 ms，与集中式系统相比，节省了约33%的故障处理时间。因此，对于对时间要求严苛的干预操作（如故障中断和电路恢复）的网络管理而言，分布式方法是一种较为有效的解决方案。

4 结 论

文章介绍了利用5G 无线通信网络的配电网监控与控制系统，并对比了基于LTE 技术的集中式网络管理和基于5G 通信技术的分布式网络管理的性能。由于5G 具有高速数据传输、极低的延迟和大规模设备连接等特点，能够显著降低电力网络故障条件下关键操作的相关延迟，有效提高智能配电网络的管理性能。尽管5G 在覆盖范围和成本方面面临着挑战，但其在智能电网实时监控与控制系统中的应用具备显著优势。